EP3330818A1 - Verfahren und vorrichtung zur zustandsüberwachung von komponenten einer technischen anlage - Google Patents

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EP3330818A1
EP3330818A1 EP16201469.0A EP16201469A EP3330818A1 EP 3330818 A1 EP3330818 A1 EP 3330818A1 EP 16201469 A EP16201469 A EP 16201469A EP 3330818 A1 EP3330818 A1 EP 3330818A1
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EP
European Patent Office
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data
input data
encoder
auto
components
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP16201469.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Rui Li
Henning OCHSENFELD
Jan Pospisil
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
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Publication of EP3330818A1 publication Critical patent/EP3330818A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05BCONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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    • G05B23/02Electric testing or monitoring
    • G05B23/0205Electric testing or monitoring by means of a monitoring system capable of detecting and responding to faults
    • G05B23/0259Electric testing or monitoring by means of a monitoring system capable of detecting and responding to faults characterized by the response to fault detection
    • G05B23/0283Predictive maintenance, e.g. involving the monitoring of a system and, based on the monitoring results, taking decisions on the maintenance schedule of the monitored system; Estimating remaining useful life [RUL]
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01MTESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M13/00Testing of machine parts
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    • G01M13/045Acoustic or vibration analysis
    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05BCONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B23/00Testing or monitoring of control systems or parts thereof
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    • G05B23/0224Process history based detection method, e.g. whereby history implies the availability of large amounts of data
    • G05B23/0227Qualitative history assessment, whereby the type of data acted upon, e.g. waveforms, images or patterns, is not relevant, e.g. rule based assessment; if-then decisions
    • G05B23/0229Qualitative history assessment, whereby the type of data acted upon, e.g. waveforms, images or patterns, is not relevant, e.g. rule based assessment; if-then decisions knowledge based, e.g. expert systems; genetic algorithms
    • GPHYSICS
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    • G05BCONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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    • G05B23/0218Electric testing or monitoring by means of a monitoring system capable of detecting and responding to faults characterised by the fault detection method dealing with either existing or incipient faults
    • G05B23/0224Process history based detection method, e.g. whereby history implies the availability of large amounts of data
    • G05B23/024Quantitative history assessment, e.g. mathematical relationships between available data; Functions therefor; Principal component analysis [PCA]; Partial least square [PLS]; Statistical classifiers, e.g. Bayesian networks, linear regression or correlation analysis; Neural networks

Definitions

  • the invention relates to a method and corresponding device for condition monitoring of components of a technical system.
  • the invention is therefore based on the object, an improved method and a corresponding device for condition monitoring of components of a technical system, in particular a machine with rotating machine components to specify.
  • the basic idea of the invention is to use a machine learning algorithm for the condition monitoring of components of a technical installation, in particular of rotating machine components. According to the invention, certain characteristic features of the monitored components are independently recognized and extracted from a previously acquired data set.
  • the input data obtained from sensor data associated with a machine component is supplied according to the invention to a feature extraction method formed according to a deep learning method, and extracts features containing information of the monitored components by means of a multi-layered auto-encoder.
  • the auto-encoder recalculates the input data using the extracted features and compares this output data of the auto-encoder with the input data.
  • By changing the features of the auto-encoder is trained until the output data of the auto-encoder almost correspond to the input data.
  • the characteristics that characterize a state of the monitored components of a technical system are output.
  • the advantage of the method according to the invention is, in particular, that it is a generic feature extraction method which is purely data-based and therefore allows a much more generic handling of individual machine components than by way of hand-crafted features. New components of a technical installation, e.g. Related machine components can thus be connected without previous manual feature engineering and without a lush database and monitored for already learned error types. Further advantages are that in an unsupervised feature extraction method such as the auto-encoder, no labeling of the data is necessary to representatively create optimal sets of features. Another advantage is that the auto-encoder can also extract non-linear signal components and characteristics.
  • inventive method of automatic feature extraction can be combined with other features from expert knowledge. This is a valuable addition if, for example, many years of experience already reveal some features or should be discontinued in a specific case.
  • the method according to the invention or the corresponding device can be used particularly advantageously if the input data are vibro-acoustic data. Since condition monitoring is often based largely on visual analysis of vibroacoustic data by experts who have been experienced for many years, for example, kinematic tables must be configured depending on the machine component and specific alarm thresholds must be set Use of deep-learning procedures to make condition monitoring easier and less burdensome.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a condition monitoring system 10 for components of a technical system.
  • components are understood in particular machines, motors, drives or other aggregates or devices with rotating components.
  • sensors 1 which are connected or coupled mechanically, optically, acoustically or in any other way with the components, data are recorded which characterize the state of the respective component.
  • condition monitoring can be based on a wide variety of sensor data, for example data that identifies vibrations, data from sensors for detecting wear, data from temperature sensors for detecting elevated operating temperature, sensor data relating to the recognition of the quality of a lubricant, etc.
  • vibration data It can be all signals that characterize oscillations, including in particular amplitudes and frequencies, but also rotational speeds or accelerations and spectra of all kinds, including acoustic spectra.
  • a data acquisition module 2 connected to the sensors 1 is provided, which is able to record the data in a time-dependent manner and to represent it, for example, as a trend 2a or as a vibration spectrum 2b. It may be an oscilloscope, for example.
  • the input data thus acquired are subsequently fed to a computer 3, in which the steps of the method according to the invention are carried out. Instead of a single computer 3, as in Fig.
  • the calculation of the method according to the invention can also be carried out in a computer system which consists of several computers which are connected via a bus.
  • the computer 3 or the computer system are further connected to an input means 8 such as a keyboard, mouse or touchpad and an output means 9, such as a screen of any configuration.
  • the computer 3 comprises a central processing unit CPU 4 and a memory module 5, both via a random access memory module (RAM) 6 as a working memory for data needed during the execution of a software program in the CPU , as well as a read only memory module (ROM) 7, in which computer programs are stored, which are executed by the CPU 4.
  • the computer 3 may also be connected to external data memories or data archives, such as a historical readings / data database 13 or other data base 14, such as neural network training data.
  • the CPU includes one or more data processing and analysis modules 11 and 12 configured to perform arbitrary methods of processing and analyzing sensor data.
  • the data analysis module 12 includes a machine learning algorithm, which is used herein as an automated condition monitoring method.
  • the learning algorithm used here is a so-called deep learning method which belongs to a class of optimization methods of artificial neural networks with numerous hidden layers between input layer and output layer. "Deep Learning” is among others in the article of Y. LeCun, Y. Bengio & G. Hinton in Nature, Vol. 521, p. 436 (2015 ) described in detail.
  • the algorithm generates a model for a large amount of data that describes the input data and allows for predictions. It aims to translate the observed data into a simpler representation that reproduces it as accurately as possible despite drastically reduced information.
  • a multilayer auto-encoder is used in this embodiment.
  • FIG. 2 The simplest structure of a car encoder is shown.
  • An auto-encoder is an artificial neural network that is trained in such a way that the input data matches the output data as much as possible.
  • Input data x1 to x5 shown in this example are supplied to a single layer of neurons, which here comprises three hidden variables z1, z2 and z3.
  • the hidden variables By means of the hidden variables, the output data x ⁇ 1 to x'5 are reconstructed.
  • neurons are arranged in several consecutive layers in such an auto-encoder structure, this is called a multilayer auto-encoder.
  • the last layer of the network, whose neuron output is usually the only one visible outside the network, is called the output layer. Layers that are in front of it are correspondingly called hidden or hidden layers with the hidden variables (in the example shown only one layer with the hidden variables z1 to z3).
  • the idea of the method according to the invention is that special features of the monitored components of a technical system are learned by means of a multilayer auto-encoder.
  • This deep-learning method purely data-driven features can be extracted.
  • the architecture of the multilayer auto-encoder allows distributed representations of the input data, i. Starting from raw signals at the entrance, the feature representations proceed from rather simple 'low level' to higher quality 'high level' features.
  • the operation is similar to that of the human brain in image processing: from single excitations through pixels of an image on the retina, the neural network extracts various features (e.g., corners, edges, shapes) over several layers (areas) of the final abstract content of the seen.
  • FIG. 3 a flow chart for an embodiment of the inventive method for condition monitoring of components of a technical system is given.
  • a first step S1 the input data is detected.
  • the output signal of one or more sensors is fed to a processing unit which converts this output signal into at least one electrical signal that can be fed to a computer and is designed such that it can be further processed in a learning algorithm. It is also conceivable that the raw data are fed directly to a computer. In most cases, these will be large amounts of data.
  • a sampling rate of 20 kHz already yields over one million data points of a vibro-acoustic signal.
  • a feature extraction method In a next step S2, the possibly previously preprocessed data are fed to a feature extraction method.
  • this is a deep-learning method in which features containing information of the monitored components are extracted by means of a multilayer auto-encoder.
  • the input data is fed to the first layer of an auto-encoder.
  • the first layer of an auto-encoder In the data points of an image, for example, it is possible to derive in the first layer which points edges and which points could represent corners.
  • the first feature "edges and corners" is determined in this way.
  • the next layer of the auto-encoder the previously determined edges and corners are in turn assembled in such a way that they represent parts of given motifs, such as house, car or tree.
  • the feature determined in this way is called house (if necessary after passing through several layers), car or tree.
  • image recognition entire objects can thus be identified.
  • features such as an average of a particular amount of data, a variance, minimum, maximum, amplitude of vibration, etc. are readable from the hidden variables of the individual layers, and thus characteristics of the data set or representative features are recognized in a general manner.
  • the output data of the last layer of the auto-encoder, after passing through the auto-encoder, should again correspond to the input data if the "artificial model" formed by the auto-encoder corresponds to the reality.
  • Fig. 4 contains a further embodiment for the application of the method according to the invention from the field of condition monitoring of a radial bearing of a drive shaft. Shown is a spectrum 40 of a detected at the camp vibro-acoustic signal y (t).
  • x (t) is the characteristic signal (for example, depending on a rotational speed of the shaft)
  • w (t) is a wear component
  • n (t) is system noise
  • e (t) is the error characteristic
  • g (t) is a general Gaussian noise term.
  • a separate layer of an auto-encoder is formed for each of said sub-component components (x (t), w (t), n (t), e (t) and g (t)). Individual coefficients before the sub-component components are learned as features by means of the deep-learning method.
  • the selected time range 45 of the input signal y (t) results, for example, from a decomposition of the signal into three layers 46, 47 and 48 which represent certain of the abovementioned sub-component components.
  • the representative layers can now be learned with the aid of a few components and patterns of specific errors can be extracted.
  • Historical or experimental setup data with error states of the same type contained therein are a prerequisite for learning the representation layers.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zur Zustandsüberwachung von Komponenten einer technischen Anlage. Die Eingangsdaten, welche aus Sensordaten in Verbindung mit einer Maschinenkomponente gewonnen sind, werden erfindungsgemäß einem Merkmalsextraktionsverfahren zugeführt, welches gemäß einem Deep-Learning Verfahren ausgebildet ist, und Merkmale, die Informationen der überwachten Komponenten enthalten, mittels eines vielschichtigen Autoencoders extrahiert. Der Autoencoder berechnet die Eingangsdaten mittels der extrahierten Merkmale neu und vergleicht diese Ausgangsdaten des Autoencoders mit den Eingangsdaten. Durch Veränderung der Merkmale wird der Autoencoder solange trainiert, bis die Ausgangsdaten des Autoencoders nahezu den Eingangsdaten entsprechen. Nach der Trainingsphase werden die Merkmale, die einen Zustand der überwachten Komponenten charakterisieren, ausgegeben. Die Zustandsüberwachung ähnlicher Maschinenkomponenten kann so automatisiert, allein auf der Basis eines datengetriebenen Algorithmus, erfolgen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und entsprechende Vorrichtung zur Zustandsüberwachung von Komponenten einer technischen Anlage.
  • Im Bereich der Zustandsüberwachung (engl.:"condition monitoring") von Maschinen, Geräten oder sonstigen Komponenten einer technischen Anlage (auch Assets genannt, vom Englischen "asset" = das Gut, der Vermögenswert) gibt es seit längerem Ansätze auf Basis von mittels Sensoren erfassten Daten die Maschine oder Komponente einer technischen Anlage automatisiert, d.h. von datengetriebenen Algorithmen und ohne Einbringung menschlicher Expertise, zu überwachen. Betreiber können somit entsprechend über abnormale- und Fehlerzustände der überwachten Maschinen oder Anlagenkomponenten rechtzeitig informiert werden und eine vorbeugende Wartung (engl. "predictive maintenance") einleiten, wodurch Instandhaltungs- bzw. Instandsetzungskosten eingespart werden können.
  • Das Problem bzw. die Vorrausetzung datengetriebener Verfahren ist allerdings immer, dass etwaige Normal- und Fehlerzustände der Maschinen oder Anlagenkomponenten zunächst durch historische Daten (beispielsweise aus einem Archiv) "erlernt" werden müssen, um anschließend robuste und verlässliche Servicequalität zu gewährleisten. D.h. konkret, dass für Endkunden interessante Fehlerzustände ihrer Maschinen oder Anlagenkomponenten in Datensätzen bereits vorhanden sein müssen, um die analytischen Prozesse zu initialisieren und zu befähigen, eben jenen Fehler künftig zu erkennen. Gerade für neu anzuschließende Anlagenkomponenten existieren solche Datensätze von fehlerhaften Zuständen nicht.
  • Zudem kommt, dass bislang existente Verfahren auf manuell aufwändig designten und zusammengestellten Merkmalen oder Eigenschaften (engl. "hand-crafted features") arbeiten, welche hochgradig abhängig von den Asseteigenschaften, also der Betriebsart, dem Gewicht, der Umgebungseigenschaften und den Materialeigenschaften einer Maschine oder Anlagenkomponente sind. Auch hier ergibt sich das Problem erneut, dass manuell gewählte Merkmale oder Eigenschaften, Attribute, Aspekte (engl. features) bei jeder Anlage anders aussehen können und die Merkmalsrepräsentation der Maschine somit durch eine ausreichend historische Datenbasis zu Beginn erlernt werden muss - einer der bislang limitierenden Faktoren für automatisiertes Condition Monitoring.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zur Zustandsüberwachung von Komponenten einer technischen Anlage, insbesondere einer Maschine mit rotierenden Maschinenkomponenten, anzugeben.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 4 gelöst.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, einen Algorithmus zum maschinellen Lernen für die Zustandsüberwachung von Komponenten einer technischen Anlage, insbesondere von rotierenden Maschinenkomponenten, zu verwenden. Erfindungsgemäß werden aus einem zuvor erfassten Datenset bestimmte charakteristische Merkmale der überwachten Komponenten eigenständig erkannt und extrahiert.
  • Die Eingangsdaten, welche aus Sensordaten in Verbindung mit einer Maschinenkomponente gewonnen sind, werden erfindungsgemäß einem Merkmalsextraktionsverfahren zugeführt, welches gemäß einem Deep-Learning Verfahren ausgebildet ist, und Merkmale, die Informationen der überwachten Komponenten enthalten, mittels eines vielschichtigen Autoencoders extrahiert. Der Autoencoder berechnet die Eingangsdaten mittels der extrahierten Merkmale neu und vergleicht diese Ausgangsdaten des Autoencoders mit den Eingangsdaten. Durch Veränderung der Merkmale wird der Autoencoder solange trainiert, bis die Ausgangsdaten des Autoencoders nahezu den Eingangsdaten entsprechen. Nach der Trainingsphase werden die Merkmale, die einen Zustand der überwachten Komponenten einer technischen Anlage charakterisieren, ausgegeben.
  • Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht insbesondere darin, dass es sich dabei um ein generisches Merkmalsextraktionsverfahren handelt, das rein datenbasiert ist und daher einen wesentlich generischeren Umgang mit individuellen Maschinenkomponenten erlaubt als über den Weg mittels hand-crafted Features. Neue Komponenten einer technischen Anlage, z.B. verwandter Maschinenkomponenten können somit ohne vorheriges händisches Feature-Engineering und ohne üppige Datenbasis angeschlossen und auf bereits erlernte Fehlertypen hin überwacht werden. Weitere Vorteile sind, dass bei einem unüberwachten Merkmalsextraktionsverfahren wie dem Autoencoder kein Labeling der Daten notwendig ist, um repräsentativ optimale Sets von Merkmalen zu erzeugen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der Autoencoder auch nichtlineare Signalkomponenten und -eigenschaften extrahieren kann.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante kann das erfindungsgemäße Verfahren der automatischen Merkmalsextraktion mit weiteren Merkmalen aus Expertenwissen kombiniert werden. Dies stellt eine wertvolle Ergänzung dar, wenn bereits aus jahrelanger Erfahrung zum Beispiel einige Merkmale bereits bekannt sind oder in einem speziellen Fall eingestellt werden sollen.
  • Das erfindungsmäße Verfahren oder die entsprechende Vorrichtung lässt sich besonders vorteilhaft einsetzen, wenn es sich bei den Eingangsdaten um vibro-akustische Daten handelt. Da Zustandsüberwachung häufig weitestgehend auf visueller Analyse vibroakustischer Daten durch jahrelang erfahrene Experten beruht, wobei zum Beispiel kinematische Tabellen abhängig von der Maschinenkomponente konfiguriert werden müssen und spezifische Alarmschwellen gesetzt werden müssen, kann durch den Einsatz von Deep-Learning Verfahren die Zustandsüberwachung einfacher und mit weniger Aufwand betrieben werden.
  • Im Folgenden wird die Erfindung sowie deren Ausgestaltungen anhand der Figuren, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, näher beschrieben und erläutert.
  • Es zeigen:
  • Fig. 1
    eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für ein Überwachungssystems gemäß der Erfindung,
    Fig. 2
    eine Skizze, in der eine Autoencoder-Struktur mit einer Schicht dargestellt ist,
    Fig. 3
    ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels des Verfahrens zur Überwachung von Komponenten einer technischen Anlage unter Verwendung eines Deep-Learning Algorithmus und
    Fig. 4
    ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens mit vibro-akustischen Eingangs- und Ausgangsdaten.
  • Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Zustandsüberwachungssystems 10 für Komponenten einer technischen Anlage. Als Komponenten werden hier insbesondere Maschinen, Motoren, Antriebe oder sonstige Aggregate oder Geräte mit rotierenden Komponenten verstanden. Mittels Sensoren 1, die mechanisch, optisch, akustisch oder in sonstiger Weise mit den Komponenten verbunden oder gekoppelt sind, werden Daten erfasst, welche den Zustand der jeweiligen Komponente charakterisieren. Grundsätzlich können der Zustandsüberwachung unterschiedlichste Sensordaten zugrunde liegen, beispielsweise Daten, welche Vibrationen kennzeichnen, Daten von Sensoren zur Erkennung von Verschleiß, Daten von Temperatursensoren zur Erkennung erhöhter Betriebstemperatur, Sensordaten bezüglich der Erkennung der Qualität eines Schmiermittels etc. Bei Vibrationsdaten kann es sich um sämtliche Signale, welche Schwingungen kennzeichnen, handeln, wozu insbesondere Amplituden und Frequenzen gehören, aber auch Drehgeschwindigkeiten oder -beschleunigungen und Spektren aller Art, auch akustische Spektren. Zur Erfassung von Vibrationsdaten ist in Fig. 1 ein an die Sensoren 1 angeschlossenes Datenerfassungsmodul 2 vorgesehen, welches in der Lage ist, die Daten zeitabhängig aufzunehmen und beispielsweise als Trend 2a oder als Schwingungsspektrum 2b darzustellen. Es kann sich dabei z.B. um ein Oszilloskop handeln. Die derart erfassten Eingangsdaten werden anschließend einem Computer 3 zugeführt, in welchem die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgeführt werden. Statt eines einzelnen Computers 3, wie in Fig. 1 gezeigt, kann die Berechnung des erfindungsgemäßen Verfahrens auch in einem Computersystem, welches aus mehreren Computern, die über einen Bus verbunden sind, durchgeführt werden. Der Computer 3 oder das Computersystem sind ferner mit einem Eingabemittel 8 wie eine Tatstatur, Maus oder Touchpad und ein Ausgabemittel 9, wie einem Bildschirm jeglicher Ausgestaltung, verbunden.
  • Der Computer 3 umfasst eine zentrale Verarbeitungseinheit CPU 4 (engl. central processing unit) und ein Speichermodul 5, welches sowohl über einen Random Access Memory-Modul (RAM) 6 als Arbeitsspeicher für Daten, die während der Ausführung eines Softwareprogrammes in der CPU benötigt werden, als auch über ein Read Only Memory-Modul (ROM) 7 verfügt, in welchem Computerprogramme gespeichert werden, welche von der CPU 4 ausgeführt werden. Der Computer 3 kann ferner mit externen Datenspeichern oder Datenarchiven verbunden werden, wie beispielsweise einer Datenbank 13 für historische Messwerte/Daten oder einer Datenbank 14 für sonstige Daten wie Trainingsdaten für ein neuronales Netz.
  • Die CPU enthält eine oder mehrere Datenverarbeitungs- und Datenanalysemodule 11 und 12, die derart ausgebildet sind, um beliebige Verfahren zum Verarbeiten und Analysieren von Sensordaten durchzuführen.
  • In diesem Ausführungsbeispiel umfasst das Datenanalysemodul 12 einen Algorithmus zum maschinellen Lernen, welcher hier als automatisiertes Zustandsüberwachungsverfahren verwendet wird. Bei dem hier verwendeten Lernalgorithmus handelt es sich um ein so genanntes Deep-Learning Verfahren, welches zu einer Klasse von Optimierungsverfahren von künstlichen neuronalen Netzen mit zahlreichen Zwischenlagen (engl. hidden layers) zwischen Eingabeschicht und Ausgabeschicht gehört. "Deep Learning" ist unter anderem in dem Artikel von Y. LeCun, Y. Bengio & G. Hinton in Nature, Vol. 521, S. 436 (2015) näher beschrieben. Der Algorithmus erzeugt für eine große Datenmenge ein Modell, das die Eingabedaten beschreibt, und Vorhersagen ermöglicht. Er zielt darauf ab, die beobachteten Daten in eine einfachere Repräsentation zu übersetzen, die sie trotz drastisch reduzierter Information möglichst genau wiedergibt. Wenn sehr viele Eingangsdaten vorhanden sind, ist die Wahrscheinlichkeit, dass auch redundante Informationen bei den Eingangsdaten vorhanden sind, hoch. Mit der Merkmalsextraktion geht demnach stets eine Dimensionsreduzierung einher, also eine reduzierte Auswahl der Merkmale. Zur Merkmalsextraktion wird in diesem Ausführungsbeispiel ein mehrschichtiger Autoencoder verwendet.
  • In Fig. 2 ist die einfachste Struktur eines Autoencoders gezeigt. Ein Autoencoder ist ein künstliches neuronales Netz, das derart trainiert wird, dass die Eingangsdaten mit den Ausgangsdaten weitestgehend übereinstimmen. Die in Fig. 2 gezeigten Eingangsdaten x1 bis x5 werden in diesem Beispiel einer einzelnen Schicht aus Neuronen zugeführt, welche hier drei verborgene Variablen z1, z2 und z3 umfasst. Mittels der verborgenen Variablen werden die Ausgangsdaten x`1 bis x'5 rekonstruiert. Werden bei einer solchen Autoencoder-Struktur Neuronen in mehreren hintereinander liegenden Schichten (engl. layers) angeordnet, so spricht man von einem mehrschichtigen Autoencoder. Die hinterste Schicht des Netzes, deren Neuronenausgaben meist als einzige außerhalb des Netzes sichtbar sind, wird Ausgabeschicht (engl. output layer) genannt. Davorliegende Schichten werden entsprechend als verdeckte oder verborgene Schicht (engl. hidden layer) mit den verborgenen Variablen (in dem gezeigten Beispiel nur eine Schicht mit den verborgenen Variablen z1 bis z3) bezeichnet.
  • Die Idee des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass mittels eines mehrschichtigen Autoencoders spezielle Merkmale der überwachten Komponenten einer technischen Anlage gelernt werden. Mittels dieses Deep-Learning Verfahrens können so rein datengetriebene Merkmale extrahiert werden. Die Architektur des mehrschichtigen Autoencoders erlaubt verteilte Repräsentationen der Eingangsdaten, d.h. ausgehend von Rohsignalen am Eingang verlaufen die Merkmalsrepräsentationen von eher simplen 'low level'- bis hin zu höherwertigen 'high level'-Merkmalen. Die Funktionsweise ähnelt der des menschlichen Gehirns bei der Bildverarbeitung: aus einzelnen Erregungen durch Pixel eines Bildes auf der Retina extrahiert das neuronale Netz über mehrere Schichten (Areale) verschiedene Merkmale (z.B. Ecken, Kanten, Formen) den finalen abstrakten Inhalt des Gesehenen.
  • In Fig. 3 ist ein Flussdiagramm für ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Zustandsüberwachung von Komponenten einer technischen Anlage angegeben.
  • In einem ersten Schritt S1 werden die Eingangsdaten erfasst. Beispielsweise wird das Ausgangssignal eines Sensors oder mehrerer Sensoren einer Verarbeitungseinheit zugeführt, welche dieses Ausgangssignal in zumindest ein elektrisches Signal umwandelt, das einem Computer zuführbar ist, und derart ausgestaltet ist, dass es in einem Lernalgorithmus weiter verarbeitet werden kann. Denkbar ist aber auch, dass die Rohdaten direkt nach Erfassung einem Computer zugeführt werden. In den meisten Fällen wird es sich hier um große Datenmengen handeln. Bei der Aufnahme von Vibrationen einer Maschine über eine Zeitspanne von 60 s ergeben sich bei einer Abtastrate von 20 kHz bereits über eine Million Datenpunkte eines vibro-akustischen Signals.
  • In einem nächsten Schritt S2 werden die ggfs. zuvor vorverarbeiteten Daten einem Merkmalsextraktionsverfahren zugeführt. Dieses ist erfindungsgemäß ein Deep-Learning Verfahren, in welchem Merkmale, die Informationen der überwachten Komponenten enthalten, mittels eines mehrschichtigen Autoencoders extrahiert werden. Die Eingangsdaten werden der ersten Schicht eines Autoencoders zugeführt. Bei den Datenpunkten eines Bildes kann in der ersten Schicht z.B. hergeleitet werden, welche Punkte Kanten und welche Punkte Ecken repräsentieren könnten. Das erste Merkmal "Kanten und Ecken" wird auf diese Weise bestimmt. In der nächsten Schicht des Autoencoders werden die zuvor bestimmten Kanten und Ecken wiederum derart zusammengesetzt, dass sie Teile vorgegebener Motive, wie Haus, Auto oder Baum repräsentieren. Das auf diese Weise bestimmte Merkmal heißt dann (ggfs. nach Durchlauf mehrerer Schichten) Haus, Auto oder Baum. Im Falle der Bilderkennung sind somit ganze Objekte identifizierbar. Im Falle der Zustandsüberwachung werden Merkmale wie ein Mittelwert einer bestimmten Datenmenge, eine Varianz, Minimum, Maximum, Schwingungsamplitude etc. anhand der verborgenen Variablen der einzelnen Schichten ablesbar und so werden Charakteristika der Datenmenge oder repräsentative Merkmale auf eine generelle Art und Weise erkannt. Die Ausgangsdaten der letzten Schicht des Autoencoders sollten nach Durchlaufen des Autoencoders wieder den Eingangsdaten entsprechen, wenn das durch den Autoencoder gebildete "künstliche Modell" der Wirklichkeit entspricht.
  • Die Ausgabe der aus dem "künstlichen Modell" abgeleiteten Größen, also der Ausgangsdaten des Autoencoders, erfolgt in Schritt S3. Anschließend wird die Rekonstruktion der Daten durch Vergleich der Ausgangs- mit den Eingangsdaten überprüft. Je kleiner das Delta, also der Unterschied zwischen den Ausgangs- und Eingangsdaten, desto besser die Merkmalsextraktion und die verborgenen Variablen. Der Autoencoder kann nun durch Veränderung der Merkmale (= der verborgenen Variablen) solange trainiert werden, bis die Ausgangsdaten des Autoencoders nahezu den Eingangsdaten entsprechen. Nach der Trainingsphase werden die Merkmale, die einen Zustand der überwachten Komponenten charakterisieren, ausgegeben.
  • Fig. 4 enthält ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens aus dem Bereich der Zustandsüberwachung eines Radiallagers einer Antriebswelle. Gezeigt ist ein Spektrum 40 eines am Lager erfassten vibro-akustischen Signals y(t). Zur Merkmalsextraktion wird ein Signalmodell angenommen, welchem an verschiedenen rotierenden Maschinen erfasste vibro-akustische Zeitreihendaten zu Grunde liegen. Es wird angenommen, dass das für das Lager erfasste Signal y (t) analog zum oben genannten Bildverarbeitungsbeispiel eine Komposition aus verschiedenen Subsignalkomponenten ist, die sich in einer erlernten Deep-Learning Architektur widerspiegeln: y t = x t + w t + n t + + e t + g t +
    Figure imgb0001
  • Hierbei sind x(t) das charakteristische Signal (zum Beispiel abhängig von einer Drehzahl der Welle), w(t) eine Verschleißkomponente, n(t) ein Systemrauschen, e(t) das Fehlercharakteristikum und g(t) ein genereller Gauss'scher Rauschterm. Zur Modellbildung wird für jede der genannten Subsignalkomponenten (x(t), w(t), n(t), e(t) und g(t)) eine eigene Schicht eines Autoencoders gebildet. Einzelne Koeffizienten vor den Subsignalkomponenten werden als Merkmale mittels des Deep-Learning-Verfahren erlernt. Man kann so die Information extrahieren, dass sich der ausgewählte Zeitbereich 45 des Eingangssignals y(t) beispielsweise aus einer Zerlegung des Signals in drei Schichten 46, 47 und 48 ergibt, welche bestimme von den oben genannten Subsignalkomponenten repräsentieren. Mittels ausgewählter Testszenarien können nun anhand einiger weniger Komponenten die repräsentativen Schichten erlernt und Muster spezifischer Fehler extrahiert werden. Historische oder durch Versuchsaufbauten ermittelte Daten mit darin enthaltenen Fehlerzuständen gleichen Typs sind eine Voraussetzung zum Erlernen der Repräsentationsschichten.

Claims (6)

  1. Verfahren zur Zustandsüberwachung von Komponenten einer technischen Anlage,
    bei dem Eingangsdaten, welche von mit den Komponenten verbundenen Sensoren (1) bereitgestellt werden, erfasst werden, dadurch gekennzeichnet,
    dass die Eingangsdaten (x1, x2,...) einem Merkmalsextraktionsverfahren zugeführt werden,
    dass innerhalb dieses Verfahrens, welches gemäß einem Deep-Learning Verfahren ausgebildet ist, Merkmale, die Informationen der überwachten Komponenten enthalten, mittels eines vielschichtigen Autoencoders extrahiert werden,
    dass der Autoencoder die Eingangsdaten (x1, x2,...) mittels der extrahierten Merkmale neu berechnet und diese Ausgangsdaten (x'1, x'2, ...) des Autoencoders mit den Eingangsdaten (x1, x2,...) vergleicht,
    dass der Autoencoder durch Veränderung der Merkmale solange trainiert wird, bis die Ausgangsdaten (x'1, x'2, ...) des Autoencoders nahezu den Eingangsdaten (x1, x2, ...) entsprechen, dass nach der Trainingsphase die Merkmale, die einen Zustand der überwachten Komponenten charakterisieren, ausgegeben werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die zuvor ermittelten Merkmale mit Merkmalen aus Expertenwissen kombiniert werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    es sich bei den Eingangsdaten (x1, x2,...) um vibro-akustische Daten handelt.
  4. Zustandsüberwachungssystem (10) für Komponenten einer technischen Anlage,
    welches zumindest einen mit einer Komponente verbundenen Sensor (1) zur Erfassung von Eingangsdaten (x1, x2,...), umfasst, dadurch gekennzeichnet,
    dass zumindest ein vielschichtiger Autoencoder vorgesehen ist, dem die Eingangsdaten (x1, x2,...) zugeführt werden,
    dass der Autoencoder weiterhin derart ausgebildet ist, dass die Eingangsdaten (x1, x2,...) mittels eines Deep-Learning-Verfahrens neu berechnet werden, wobei in jedem Autoencoder Merkmale, die Informationen der überwachten Komponenten enthalten, extrahiert werden,
    dass ein Vergleichsmodul vorgesehen ist, in welchem die Ausgangsdaten (x'1, x'2,...) des Autoencoders mit den Eingangsdaten (x1, x2,...) verglichen werden,
    dass ein Trainingsmodul vorgesehen ist, das mit dem zumindest einen Autoencoder verbunden ist und das derart ausgebildet ist, dass die Merkmale derart verändert werden können, bis eine Differenz zwischen den Eingangs- und Ausgangsdaten minimal ist,
    dass ein Ausgabemodul vorhanden ist, das nach der Trainingsphase die Merkmale, welche den Zustand der überwachten Komponenten der technischen Anlage charakterisieren, ausgibt.
  5. Zustandsüberwachungssystem gemäß Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass ferner noch Mittel zur Datenverarbeitung (11) vorgesehen sind, welche von den Sensoren (1) bereitgestellten Eingangsdaten für das Deep-Learning-Verfahren vorverarbeiten.
  6. Zustandsüberwachungssystem gemäß Anspruch 4 oder 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    es sich bei den Eingangsdaten (x1, x2,...) um vibro-akustische Daten handelt.
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